放射性腐蝕試片自動化分析預處理裝置研制

王 鵬 郝曉華 楊 彪 邵曉宙 李哲宇 溫 毅 康文凱

（1.中國核科技信息與經濟研究院，北京 100048；2.中國輻射防護研究院，太原 030006）

乏燃料后處理設備在含高放射性裂變產物的高溫濃硝酸（強腐蝕性）條件下工作。為確保溶解池安全穩定運行，必須持續分析溶解池液體腐蝕性。針對國內欠缺高放液體試驗時自動化預處理設備只能采用人工處理高放液體試驗樣品或以無放射性同位素模擬的現狀，迫切需要開發一種結構合理、性能安全可靠的放射性液體腐蝕試片分析預處理裝置，保證在真實料液試驗條件下腐蝕試片預處理的順利進行，并保證該裝置在無轉運操作時整體的可靠性密封。本文進行放射性腐蝕試片自動化分析預處理裝置樣機研制，研究其中的關鍵技術，為該裝置在乏燃料后處理過程中運行和核化工實驗平臺中的類似項目提供參考。

1 系統簡介

該系統由試片轉運結構、轉運接口結構、吊運結構、超聲波清洗結構以及軟化水噴淋結構組成，并配以相應的屏蔽密封箱室與自動化控制系統，實現了全自動完成放射性腐蝕試片轉運、清洗、噴淋等工序。它的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 系統設計總體方案

系統運行過程如下。第一，腐蝕試片轉移。腐蝕試片從放射性液體中取出掛入防護容器中，防護容器裝載到手動運輸小車中。小車沿軌道進入預處理裝置的物料進口，小車限位鎖定，關閉物料進口門。第二，容器吊運。過渡小室平開門翻轉，吊具下放自動鉤鎖防護容器，吊具上移，吊車橫移，到達超聲清洗器位置，吊具下移，防護容器到超聲清洗器工位。第三，超聲清洗。設備依據控制系統調節功率，完成設定時間的清洗工作。第四，軟水噴淋。吊具再次轉運，將容器移動到軟水噴淋器，軟水噴淋自動開啟，依據控制系統設定流量和時間工作。第五，試片分析。吊運設備將容器轉運到托盤處限位，綠燈亮起，通知人員打開過渡箱門，取走試片。

2 樣機研制

2.1 試片轉運結構

腐蝕試片從放射性液體中取出掛入防護容器，防護容器裝載到運輸小車。小車沿軌道進入預處理裝置的物料進口，推到預定位置限位，關閉物料轉移門[1]。運輸車滿足屏蔽容器固定要求，并設置有推拉扶手和定位鎖緊裝置，以便人員拉出小車，保證小車能夠穩定停靠在轉運接口位置[2]。

2.2 轉運接口結構

在密封箱室過渡室，設計了轉運接口的開關蓋裝置，實現將腐蝕試片提籃從轉運小車轉移到預處理裝置內部，且保證無轉運操作時該轉運接口處密封。本裝置采用自動旋轉的轉運接口開關蓋裝置，包括驅動電機、聯接貫穿軸、密封管套、聯軸器、旋轉臂和轉運接口蓋。其中，聯接貫穿軸用于連接電機輸出端和聯軸器，是保證內部氣體不外泄的重要組件。

2.3 吊運結構

吊運過程在屏蔽箱中進行。由于屏蔽箱內部空間有限，吊車定位精度與晃動量控制技術尤為重要。若出現定位不準或晃動量大造成腐蝕掛片發生傾斜、卡塞等現象，會給后續清理、去污帶來極大麻煩。針對這種情況，采用專用吊具、直線模組及比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）參數控制算法實現了對大車、吊鉤的位置、擺角的精確控制。其中：蘑菇頭吊具頂部為圓弧，水平面無方向性，可從任意方向起吊，是精密控制的重要支撐，可在重力作用下變換凹凸槽，實現自動鎖定和自動脫鎖；直線模組可在高負載情況下實現高精度直線運動，是精密控制的基礎；PID參數控制根據動力學建立吊車及重物的運動方程式，將狀態反饋矩陣結果輸入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的PID控制參數中[3]，通過測量擺角反饋和控制伺服電機加速度，實現晃動量快速衰減，是精密控制的核心。通過以上技術實現了吊運結構角度晃動量小于±1.5°、重復定位精度不大于±1 mm的控制精度。

2.4 超聲波清洗結構

超聲波清洗器主要由設備主體、超聲波發生器、電纜以及控制系統組成。超聲波清洗器設計為功率密度高的布置方式，三面設計超聲波振盒，單振盒由18個50 W的超聲波發生器構成。三面振盒總功率為2.7 kW，超聲頻率為28 kHz，功率密度為30 W·L-3。

2.5 軟化水噴淋

軟水噴淋系統由外部容器和內部螺旋狀管道組成，自裝置頂部引入軟化水。螺旋狀管道內側邊開有直徑1.5 mm小孔，軟水連續向試片噴淋。依據控制系統調節流量和定時，完成后計時器反饋信息。淋洗用后的水，通過加長桿閥門開放排到指定管路中。

2.6 屏蔽密封箱室

預處理試驗應在屏蔽密封箱室內進行。設計屏蔽層厚度為5 cm鉛當量。箱室密封性根據標準《密封箱室密封性分級及其檢驗方法》（EJ/T 1096—1999）規定采用四級密封[4]。

密封屏蔽箱體外形如圖2所示，左側為物料轉移屏蔽門，實現進出料位置屏蔽。箱室頂部兩端設計高效過濾器進出口，以產生均勻負壓流場，防止氣溶膠外泄[5]。壓力表安裝于箱體前部，可方便人員實時觀察裝置內部負壓。箱體前側設計手套孔，用于突發情況下人工干預。

圖2 屏蔽密封箱室

箱體前側手套孔中手套直接受到高放樣品照射，且手套本身壽命期限，需定期更換，為此研發了一種用于放射性物質操作手套箱的手套更換裝置。通過轉動滾珠絲杠帶動內筒旋轉，將新換手套套入手套環，舊手套落入箱室內部。該裝置能在保證手套箱內外物理隔絕的狀態下快捷完成手套更換，提高了輻射防護領域手套更換的效率和安全性。

2.7 控制系統

自動控制系統包括超聲波控制界面、吊運結構控制界面、參數設置界面以及自動模式位置設置界面[6]。在超聲波界面，可以分別控制3個振盒裝置，并顯示清洗池的液位。在吊運結構界面，可以控制直線模組、吊具以及密封開關蓋，并顯示直線模組運行速度和吊具的實時位置。在參數設置界面，可以分別設置超聲波發生裝置、吊具升降裝置以及直線模組水平電機。在自動模式，可以實時顯示各部件的工作狀態。

3 性能測試

3.1 吊車晃動控制試驗

試驗設計吊裝100 kg、200 kg兩種配重，0.8l、1.2l（l為設計繩長），4組試驗，按照工藝設計1.2倍速度運行，重復試驗，驗證其晃動量控制性能和重復定位精度。吊車晃動量測試結果如表1所示。

由表1吊車晃動量測試結果可知，繩長或物重變化時，擺角最終都會趨于0°。角度測量儀記錄值均小于±1.5°，重復定位精度不大于1 mm，說明當繩長或物重在一定的范圍內波動變化時，吊車晃動量控制系統都是穩定的，符合設計要求。

表1 吊車晃動量測試結果

3.2 自動控制系統運行試驗

如表2所示，經測試，對轉運接口開關蓋裝置、單軌吊車以及超聲波清洗器等裝置之間協作運行、配套使用時，均可正常運行。自動控制系統滿足設計要求。

表2 系統自動運行試驗

3.3 與國內外同類裝置的比較分析

對比研發的放射性腐蝕試片自動化分析預處理與國內外同類產品的性能，結果如表3所示。研發裝置在滿足腐蝕實驗條件角度方面有較大的提升，實現了該裝置的國產化，滿足了真實料液腐蝕試驗的自動化預處理工藝要求。精準運行方面，利用專用吊具、直線模組及PID參數控制算法實現了密封箱室內的精確控制，為國內外同類產品中較為先進的設計。

表3 國內外同類技術比較

4 結語

放射性腐蝕試片自動化分析預處理裝置的研制實現了在輻射防護環境下自動完成放射性腐蝕試片轉運、清洗、噴淋等分析預處理操作，在滿足放射性腐蝕試片分析預處理工藝的基礎上，結構緊湊，屏蔽能力強，自動化程度高，是國內首次將吊車晃動量控制技術應用于小型化密封箱室設備，實現了各項工序的自動化精準操作（晃動角度小于±1.5°、重復定位精度不大于±1 mm），不僅可以提高放射性腐蝕試片分析預處理效率，而且可以減少人員操作，保證人員安全。